СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК H02P7/36 H02P7/62 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано преимущественно в электроприводах переменного тока с асинхронными электродвигателями, т. е. там, где регулирование осуществляется путем изменения действующего значения напряжения и частоты, и может найти применение при регулировании температуры в нагревательных установках, в частности, выполненных на основе галогенных ламп.

Известен способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, при котором изменяют длительность подключения двигателя к источнику питания на временном интервале, равном периоду подключения [1]. Однако данный способ малоэффективен, так как не обеспечивает широкого диапазона регулирования скорости электродвигателя и, кроме того, не исключает значительных колебаний скорости, т.е. не обеспечивает плавного регулирования.

Известен выбранный в качестве наиболее близкого аналога способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, при котором одновременно с изменением длительности подключения электродвигателя к источнику питающего напряжения изменяют период подключения" при этом максимальное значение периода подключения не превышает четырех значений электромагнитной постоянной времени двигателя [2].

К недостаткам данного способа относятся следующие. Во-первых, способ не исключает значительных колебаний момента и скорости электродвигателя в переходных режимах при непрерывном, т.е. плавном, регулировании скорости. Во-вторых, при таком способе регулирования скорости снижается коэффициент мощности питающей сети. В-третьих, при таком способе регулирования скорости неизбежно возникают повышенные токовые нагрузки в обмотках статора на малых скоростях вращения. Вышеописанные недостатки обусловлены тем, что момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату действующего значения напряжения регулирования, прикладываемого к обмоткам электродвигателя на временном интервале, длительность которого равна периоду подключения и вычисляется по формуле:

где U_peг - напряжение регулирования, прикладываемое к обмоткам электродвигателя на временном интервале Т_рег;
U_с(t) - мгновенное значение напряжения питающей сети переменного тока;
Т_рег - длительность периода подключения.

Напряжение U_с(t) прикладывается к обмоткам статора двигателя на интервале подключения, длительность которого может быть выражена через длительность периода напряжения питающей сети:
T_вкл = nT_c+Δt, (2)
где Т_вкл - длительность интервала подключения;
n - натуральный ряд чисел;
Т_c - длительность периода напряжения питающей сети;
Δt - интервал времени, длительность которого лежит в пределах от 0 до Т_c.

Если характеризовать способ регулирования таким параметром, как скважность регулирования, являющаяся отношением длительностей Т_вкл, и Т_рег, то из (1) и (2) следует, что при одновременном изменении Т_рег и Т_вкл, т.е. при плавном регулировании как длительности периода подключения, так и длительности интервала подключения, справедливо выражение

где U_c - действующее значение питающего напряжения сети;
γ - скважность напряжения регулирования, являющаяся отношением длительностей Т_вкл к Т_рег.

Из (3) следует, что квадрат действующего значения напряжения регулирования является функцией не только скважности, но и существенно зависит от длительности интервала времени Δt.

Зависимость U_рег ² от длительности интервала Δt обуславливает возникновение колебаний момента асинхронного электродвигателя в силу следующего. Наличие интервала Δt обуславливает зависимость средневзвешенного значения коэффициента мощности от длительности этого интервала и приводит к тому, что величина коэффициента мощности асинхронного электродвигателя уменьшается по сравнению с его естественным значением. В ряде случаев наличие интервала Δt приводит к появлению значительной доли постоянной составляющей в кривой мгновенного значения напряжения регулирования, при этом коэффициент мощности питающей сети существенно снижается.

Изобретение направлено на решение задачи расширения диапазона регулирования при непрерывном, т.е. плавном, регулировании без снижения коэффициента мощности питающей сети.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе регулирования параметра объекта, преимущественно скорости асинхронного электродвигателя, при котором на объект регулирования, преимущественно на обмотки электродвигателя, подают напряжение регулирования и изменяют одновременно частоту и действующее значение напряжения регулирования, предлагается напряжение регулирования подавать в виде последовательности импульсов напряжения питающей сети переменного тока, при этом плавно изменять длительность периода следования указанных импульсов при постоянном значении длительности импульсов, равном периоду напряжения питающей сети.

В предлагаемом способе действующее значение напряжения регулирования изменяется в соответствии с законом:

где f_рег - частота напряжения регулирования;
f_c - частота напряжения питающей сети.

При частоте f_рег, равной частоте f_c напряжение регулирования является номинальным напряжением U_ном, а частота f_рег, равная f_c, является номинальной частотой f_ном, следовательно для предлагаемого способа справедлив закон регулирования М.П.Костенко для асинхронных электродвигателей при постоянстве мощности [3]:

В предлагаемом способе выполнение условия равенства длительности подаваемых на обмотки электродвигателя импульсов питающей сети периоду напряжения питающей сети обеспечивает наибольшую глубину регулирования, т.е. максимально возможный диапазон регулирования.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.2 приведена зависимость от времени мгновенного значения напряжения регулирования, подаваемого на обмотки асинхронного электродвигателя.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, с помощью трехфазного устройства, функциональная схема которого приведена на фиг.1. Устройство содержит трехфазный источник 1 напряжения питающей сети переменного тока (ИП), подключенный через трехфазный тиристорной переключатель 2 переменного тока (ПППТ) к нагрузке в виде трехфазного асинхронного электродвигателя (АД) 3. Управляющий генератор (УГ) 4 формирует импульсы управления, период Т_рег которых плавно изменяется, а длительность постоянна и равна периоду напряжения питающей сети, поступающего с выхода ИП 1. Линейные зажимы ИП 1 соединены с входными линейными зажимами ПППТ2, выходные линейные зажимы которого соединены с линейными выводами обмоток статора АД 3, а управляющие зажимы ПППТ 2 соединены с выходом УГ 4. В качестве источника 1 напряжения питающей сети переменного тока может, например, использоваться промышленная сеть переменного тока. Полупроводниковый переключатель 2 переменного тока может, например, содержать по два включенных встречно-параллельно тиристора в каждой фазе [4]. Управляемый генератор 4 может, например, представлять собой автогенератор импульсов переменной частоты и постоянной длительности.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, приведенного на фиг.1, следующим образом.

При включении ИП 1 и выставлении ручки регулировки УГ 4 в соответствующее положение, т.е. выставлении соответствующего значения длительности Т_рег - периода следования импульсов, с выхода УГ 4 на управляющие зажимы ПППТ2 поступают управляющие импульсы, длительность Т_вкл которых равна периоду Т_с напряжения питающей сети, а частота равна или ниже частоты напряжения питающей сети. При этом в течение интервала Т_вкл включенные встречно-параллельно тиристоры ПППТ2 обеспечивают двухстороннюю проводимость каждой фазы переменному току и на обмотки статора АД 3 подается переменное напряжение питающей сети. После чего, на интервале времени, равном разности длительностей Т_рег и Т_с, АД 3 отключается от ИП 1. Для того чтобы изменить значение скорости вращения АД 3, ручку регулировки УГ 4 плавно переводят в новое положение, тем самым изменяя длительность Т_рег периода следования импульсов, и, следовательно, изменяя частоту и действующее значение напряжения регулирования, прикладываемого к АД 3.

Таким образом, в предлагаемом способе питание асинхронного электродвигателя на интервале времени Т_вкл осуществляется синусоидальным напряжением питающей сети, при этом коэффициент мощности питающей сети равен естественному коэффициенту мощности асинхронного электродвигателя в заданном режиме и снижения величины коэффициента мощности сети не происходит. Следует также отметить, что для соблюдения равенства среднего значения электромагнитного момента двигателя статическому моменту механической нагрузки в течение периода регулирования Т_рег необходимо, чтобы электромагнитный момент двигателя на интервале Т_вкл при низком значении частоты регулирования был существенно выше статического момента механической нагрузки, в силу чего электродвигатель значительно загружен динамической нагрузкой и работает при повышенных значениях коэффициента мощности. Для получения наибольшего диапазона регулирования в предлагаемом способе интервал подключения к источнику питающего напряжения устанавливают равным периоду питающего напряжения. Предлагаемый способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя обеспечивает повышение технико-экономических показателей механических исполнительных устройств, функционирующих в режиме постоянства мощности, так как изменение действующего значения напряжения и частоты регулирования соответствует закону МП Костенко при постоянной мощности и электродвигатель работает при практически неизменном коэффициенте мощности [3]. В результате предлагаемый способ регулирования скорости асинхронных электродвигателей позволяет в широком диапазоне регулировать скорость электродвигателей при непрерывном, т. е. плавном регулировании без снижения коэффициента мощности питающей сети.

Источники информации
1. Андреев В., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с.615.

2. Патент РФ 2094940, Н 02 Р 7/36, 7/62, 1997.

3. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982, с. 53, 54.

4. Бруфман С. С. , Трофимов Н.А. Тиристорные переключатели переменного тока. М.: Энергия, 1969, с. 10-14.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроприводам переменного тока с асинхронными электродвигателями. Технический результат, заключающийся в расширении диапазона регулирования, достигается путем того, что на обмотки асинхронного электродвигателя подают напряжение регулирования и изменяют одновременно частоту и действующее значение напряжения регулирования, причем напряжения регулирования подают в виде напряжения питающей сети переменного тока, при этом плавно изменяют длительность периода подачи напряжения регулирования, причем длительность напряжения регулирования равна периоду напряжения питающей сети. 2 ил.

Способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, при котором на обмотки асинхронного электродвигателя подают напряжение регулирования и изменяют одновременно частоту и действующее значение напряжения регулирования, причем напряжение регулирования подают в виде напряжения питающей сети переменного тока, при этом плавно изменяют длительность периода подачи напряжения регулирования, отличающийся тем, что длительность напряжения регулирования равна периоду напряжения питающей сети.